摘 要：

為解決現(xiàn)有有機(jī)物型溫度熔斷器分?jǐn)嗨俣染徛?、直流分?jǐn)嗄芰^低的問題，設(shè)計(jì)了一種具有快速分?jǐn)嗄芰Φ挠袡C(jī)物型溫度熔斷器。通過引入觸頭驅(qū)動(dòng)件，使其與彈簧動(dòng)作配合，將熱敏藥丸緩慢熔化過程轉(zhuǎn)化為動(dòng)觸頭快速分?jǐn)鄤?dòng)作，以提高有機(jī)物型溫度熔斷器的直流分?jǐn)嗄芰Γ蛊溥m用于直流電路的溫度保護(hù)。通過多體動(dòng)力學(xué)仿真探究彈簧對(duì)動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)速度影響，指導(dǎo)樣機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)，并制作溫度熔斷器樣機(jī)，進(jìn)行觸頭分?jǐn)嗨俣葴y(cè)試以及直流負(fù)載分?jǐn)鄬?shí)驗(yàn)。結(jié)果證明，所設(shè)計(jì)的溫度熔斷器具有較高的分?jǐn)嗨俣?，具備一定的直流分?jǐn)嗄芰Α?/p>

關(guān)鍵詞：

有機(jī)物型溫度熔斷器; 觸頭驅(qū)動(dòng)件; 彈簧; 分?jǐn)嗨俣? 直流分?jǐn)嘈阅?/p>

中圖分類號(hào)： TM572

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）05-0046-07

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.05.006

Design and Implementation of Fast-Breaking Organic Thermal Fuse

PAN Xiaoning， LIU Xiangjun

（College of Electrical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University， Fuzhou 350108， China）

Abstract：

In order to solve the problems of slow breaking speed and low DC breaking capacity of the existing organic thermal fuse，an organic thermal fuse with high breaking speed is designed.By introducing a contact driving part，cooperated with the springs the slow melting process of the thermal-sensitive is converted into the fast breaking action of the moving contact to improve the DC breaking capacity of the organic thermal fuse and make it applicable for DC circuit temperature protection.The influence of the springs on the moving speed of the moving contact is explored through the multibody dynamics simulation to guide the design of the prototype.Finally，the prototype of the thermal fuse is fabricated.The contact breaking speed test and DC load breaking experiment are carried out.The results prove that the designed thermal fuse has high breaking speed and certain DC breaking capacity.

Key words：

organic thermal fuses; contact driving part; spring; breaking speed; DC breaking performance

0 引 言

有機(jī)物型溫度熔斷器是一類小型的溫度保護(hù)器件，與傳統(tǒng)合金型溫度熔斷器最大的區(qū)別在于熔體不同［1］。有機(jī)物型溫度熔斷器的熔體由特定的有機(jī)物（熱敏藥丸）合成，熔體不經(jīng)過電流，僅感測(cè)環(huán)境溫度，只有當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到其熔點(diǎn)時(shí)熔化;而合金型溫度熔斷器的熔體本身可導(dǎo)電，其熔化溫度不僅與環(huán)境溫度有關(guān)，還與熔體自身發(fā)熱有關(guān)。因此，有機(jī)物型溫度熔斷器可作為更純粹的溫度保護(hù)器件。熱敏藥丸是有機(jī)物型溫度熔斷器的感溫元件，通過不同的組分和配比能夠調(diào)制熱熔化溫度為60～200 ℃的有機(jī)感溫體，具有溫度靈敏性高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。因此，有機(jī)物型溫度熔斷器被廣泛應(yīng)用于各類需要溫度保護(hù)的交流場(chǎng)景。隨著直流電網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的電器向直流方向研發(fā)創(chuàng)新，溫度熔斷器作為不可或缺的溫度保護(hù)器件同樣需要推進(jìn)直流場(chǎng)景的應(yīng)用［2］。

目前，針對(duì)有機(jī)物型溫度熔斷器的研究一般出現(xiàn)在專利中。肖特（日本）株式會(huì)社發(fā)明并公布了一種常見的有機(jī)物型溫度熔斷器，并詳細(xì)闡述了該溫度熔斷器的結(jié)構(gòu)及各器件的材料［3］。文獻(xiàn)［4］具體分析了熱敏藥丸的組成、制備和相關(guān)熱特性。胡志敏等［5］提出了一種有機(jī)化合物型溫度保險(xiǎn)絲及其有機(jī)感溫體的制備方法。涂振坤［6］公開了一種帶有防爆層的有機(jī)物型溫度熔斷器，其防爆層由滅弧材料構(gòu)成并置于殼體內(nèi)壁，可防止溫度熔斷器熔斷后發(fā)生爆炸。文獻(xiàn)［7］對(duì)某型號(hào)有機(jī)物型溫度熔斷器的直流分?jǐn)嘈阅苓M(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)在250 V/20 A交流條件下，電路可正常分?jǐn)啵?55 V/17 A直流條件下，溫度熔斷器的分?jǐn)噙^程常伴隨著熔焊、燃弧甚至出現(xiàn)明火燃燒，溫度熔斷器被嚴(yán)重破壞，電路無法正常分?jǐn)唷Ｓ袡C(jī)物型溫度熔斷器在分?jǐn)嚯娐窌r(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧，由于交流電路中存在自然過零點(diǎn)，熔斷器開斷交流電弧比同等容量的直流電弧更容易［8］。觸頭的分?jǐn)嗨俣葘?duì)燃弧時(shí)間有著重要影響［9-10］。

有機(jī)物型溫度熔斷器的結(jié)構(gòu)決定了其開距小、分?jǐn)嗨俣嚷奶攸c(diǎn)，導(dǎo)致其在分?jǐn)嘀绷麟娐窌r(shí)存在電弧難以熄滅、燃弧時(shí)間長(zhǎng)的問題，限制了有機(jī)物型溫度熔斷器在直流場(chǎng)景的應(yīng)用。因此，本文針對(duì)現(xiàn)有有機(jī)物型溫度熔斷器在直流應(yīng)用場(chǎng)合存在的缺陷，設(shè)計(jì)能夠快速分?jǐn)嗟挠袡C(jī)物型溫度熔斷器，通過提高觸頭分?jǐn)嗨俣龋蛊溥m用于直流電路的溫度保護(hù)場(chǎng)景。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 溫度熔斷器工作原理

傳統(tǒng)的溫度熔斷器結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由熱敏藥丸、壓縮彈簧、解扣彈簧、銅片、星形觸片、動(dòng)觸頭、靜觸頭、陶瓷套管、環(huán)氧樹脂及外殼等元件構(gòu)成。

電路正常工作時(shí)，溫度熔斷器的壓縮彈簧與解扣彈簧均處于壓縮狀態(tài)，導(dǎo)電外殼與星形觸片間，星形觸片與動(dòng)觸頭間以及動(dòng)、靜觸頭間均可靠接觸，由此形成一個(gè)電氣連接，溫度熔斷器串聯(lián)于電路中正常工作。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到藥丸熔點(diǎn)后，熱敏藥丸熔化，壓縮彈簧解壓，同時(shí)解扣彈簧釋放預(yù)壓縮量，帶動(dòng)動(dòng)觸頭并推動(dòng)星形觸片運(yùn)動(dòng)，使動(dòng)、靜觸頭間產(chǎn)生斷口，切斷動(dòng)、靜觸頭間的電流，從而起到電路溫度保護(hù)的作用。由于熱敏藥丸熔化是一個(gè)緩慢過程，解扣彈簧隨藥丸熔化緩慢帶動(dòng)動(dòng)觸頭分?jǐn)?。通過高速攝像機(jī)拍攝溫度熔斷器的分?jǐn)噙^程，測(cè)得溫度熔斷器的觸頭分?jǐn)嗨俣葍H為0.1～1.0 mm/s。較低的分?jǐn)嗨俣仍斐呻娀±炻?，電弧電阻上升慢，由于沒有其他的滅弧措施，僅靠觸頭分?jǐn)嚯y以熄滅電弧。有機(jī)物型溫度熔斷器的結(jié)構(gòu)緊湊，難以通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)提高直流分?jǐn)嗄芰?，如提高彈簧的勁度系?shù)、改變熱敏藥丸的形狀等，因此不適用于直流電路的分?jǐn)?，有必要?duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1.2 快速分?jǐn)嘤袡C(jī)物型溫度熔斷器的設(shè)計(jì)

針對(duì)有機(jī)物型溫度熔斷器開距小、分?jǐn)嗨俣嚷膯栴}，主要有2種解決思路：提高觸頭的分?jǐn)嗨俣?將單斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)改進(jìn)為雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

熱敏藥丸的熔化過程較為緩慢，隨著熱敏藥丸熔化釋放空間，溫度熔斷器的解扣彈簧動(dòng)作以及動(dòng)、靜觸頭分?jǐn)嗨俣纫彩志徛Ｒ虼?，本文?duì)溫度熔斷器結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。新結(jié)構(gòu)引入1個(gè)動(dòng)作機(jī)構(gòu)（以下稱為觸頭驅(qū)動(dòng)件）作為中間媒介，將藥丸熔化的慢動(dòng)作轉(zhuǎn)化為觸頭分?jǐn)嗟目焖賱?dòng)作?？焖俜?jǐn)鄿囟热蹟嗥鞯慕Y(jié)構(gòu)如圖2所示。新結(jié)構(gòu)由熱敏藥丸、動(dòng)觸頭、動(dòng)觸橋、靜觸頭、觸頭驅(qū)動(dòng)件、壓縮彈簧和解扣彈簧等組成，其中壓縮彈簧置于觸頭驅(qū)動(dòng)件內(nèi)。

正常工作時(shí)，快速分?jǐn)嘤袡C(jī)物型溫度熔斷器的壓縮彈簧和解扣彈簧均呈壓縮狀態(tài)，其中壓縮彈簧為動(dòng)、靜觸頭提供閉合壓力，解扣彈簧在熱敏藥丸的支持力下壓縮。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到熱敏藥丸熔點(diǎn)時(shí)，熱敏藥丸逐漸熔化，觸頭驅(qū)動(dòng)件在解扣彈簧的作用下向槽方向運(yùn)動(dòng)，壓縮彈簧隨觸頭驅(qū)動(dòng)

件的運(yùn)動(dòng)解壓，保證動(dòng)、靜觸頭之間可靠閉合。當(dāng)熱敏藥丸完全熔化后，觸頭驅(qū)動(dòng)件與動(dòng)觸橋接觸，在沒有熱敏藥丸的阻力后帶動(dòng)動(dòng)觸頭動(dòng)作，完成觸頭快速分?jǐn)?。整個(gè)過程中，熱敏藥丸熔化時(shí)動(dòng)觸頭未運(yùn)動(dòng)，只有在觸頭驅(qū)動(dòng)件與動(dòng)觸橋接觸時(shí)才會(huì)帶動(dòng)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)，因此觸頭的動(dòng)作過程和熱敏藥丸的熔化過程無關(guān)，僅取決于解扣彈簧的彈力，從而可大幅度提高觸頭的分?jǐn)嗨俣取?/p>

設(shè)解扣彈簧的壓縮量為x1，勁度系數(shù)為k1，則此刻的彈力為

F=k1x1（1）

設(shè)動(dòng)觸頭、動(dòng)觸橋和驅(qū)動(dòng)件的質(zhì)量為m，由動(dòng)能定理有

12mv2=∫k1（x1－x）dx（2）

式中： v——?jiǎng)佑|頭速度;

x——觸頭位移。

由式（2）可知，觸頭的運(yùn)動(dòng)速度與彈簧勁度系數(shù)、壓縮量和觸頭開距有關(guān)。

2 溫度熔斷器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 觸頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)

有機(jī)物型溫度熔斷器現(xiàn)有的直流市場(chǎng)需求為直流155 V/17 A，因此本文設(shè)計(jì)的熔斷器額定電流Ie為17 A。對(duì)于熔斷器等很少操作的觸頭，一般采用鍍銀銅觸頭，動(dòng)觸頭選用直徑為3.8 mm的球面觸頭，靜觸頭選用直徑為3.8 mm的平面觸頭。動(dòng)觸橋和引出端采用銅材料，其中動(dòng)觸橋長(zhǎng)為23.5 mm、寬為4.9 mm、厚度為0.8 mm，靜觸頭引出端長(zhǎng)為25 mm、寬為4.5 mm、厚度為1.5 mm。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)定觸頭間的接觸壓力F=1～2 N。

觸頭系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足通過額定電流時(shí)溫升小于規(guī)定的溫升極限，因此需要對(duì)觸頭系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性進(jìn)行校驗(yàn)。

觸橋的穩(wěn)定溫升τ計(jì)算公式［11］為

τ=I2eρKTpS（3）

式中： ρ——導(dǎo)體電阻率;

KT——觸橋表面的傳熱系數(shù);

p——觸橋橫截面的周長(zhǎng);

S——觸橋的橫截面積。

銅的電阻率為1.75×10-8 Ω·m，傳熱系數(shù)為9 W/（m2·K），代入式（3）得溫升τ=12.6 K，觸橋長(zhǎng)期工作制的溫升極限為65 K，因此滿足要求。

觸頭穩(wěn)定溫升τjd計(jì)算公式［11］為

τjd=τ1+350Ujτ+U2j8λρ（4）

Uj=IRj（5）

Rj=Kj（0.102F）m（6）

式中： λ——銅的熱導(dǎo)率，λ=3.9 W/（cm·K）;

Uj——觸點(diǎn)上的接觸壓降;

Rj——接觸電阻;

Kj——與觸頭材料、表面狀況、接觸方式等有關(guān)的系數(shù)。

觸頭表面狀態(tài)按照Ag-Ag未氧化考慮，取Kj=60，觸頭壓力F=1 N，觸頭為點(diǎn)接觸m=0.5。代入解得，τjd=15.36 K，滿足溫升要求。將靜觸頭引出端的參數(shù)代入式（3），即可求得靜觸頭引出端溫升τwd=6.93 K。

由上述分析可知，觸頭在工作時(shí)，所通電流對(duì)觸頭上的溫升影響較大，由式（5）可求得最大導(dǎo)通電流Imax=35 A。

觸頭通過大電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的電動(dòng)斥力而使觸頭斥開，影響熔斷器的工作可靠性，因此需要對(duì)電動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行校驗(yàn)。

通過電流時(shí)觸頭間電動(dòng)斥力Fr的計(jì)算公式［11］為

Fr=10－7I2lndd0（7）

d0=2FπHB（8）

式中： I——通過觸頭的電流;

d——觸頭的直徑;

d0——觸頭接觸斑點(diǎn)的直徑;

F——接觸壓力;

HB——觸頭材料的布氏硬度，取40 N/mm2。

假設(shè)I=30Ie，代入式（7）、式（8），解得Fr=0.08 N，雙斷點(diǎn)觸頭間的電動(dòng)力為Fr=0.16 N，小于接觸壓力，電動(dòng)穩(wěn)定性滿足要求。

2.2 開距設(shè)計(jì)

在沒有外加條件滅弧的情況下，增大觸頭的開距δ能減少燃弧時(shí)間。開距估算的經(jīng)驗(yàn)公式為

δ=0.5+1.43Ie（9）

參考其他電器，開距設(shè)計(jì)為4 mm。

2.3 彈簧設(shè)計(jì)

壓縮彈簧和解扣彈簧均采用圓柱螺旋彈簧，其勁度系數(shù)計(jì)算公式為

k=Gd418nD3（10）

式中： G——剪切彈性模數(shù)，與彈簧材料有關(guān);

d1——彈簧線徑;

n——有效圈數(shù);

D——彈簧中徑。

2.3.1 壓縮彈簧設(shè)計(jì)

壓縮彈簧為動(dòng)、靜觸頭提供接觸壓力。熱敏藥丸的高度為3 mm，故觸頭驅(qū)動(dòng)件的行程為3 mm，壓縮彈簧的壓縮量x0≥3 mm，取3 mm。

選取現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)彈簧，G=75 840 MPa，d1=0.4 mm，n=4，D=4.4 mm，代入式（10），計(jì)算得到k0=0.71 N/mm，則接觸力F=k0x0=2.13 N，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.2 解扣彈簧設(shè)計(jì)

由式（2）可知，觸頭的速度與解扣彈簧的勁度系數(shù)和壓縮量有關(guān)。

取現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)彈簧，G=75 840 MPa，n=10，d1=0.5 mm，D=7 mm，代入式（10），計(jì)算得到k1=0.17 N/mm。利用Recurdyn軟件進(jìn)行勁度系數(shù)對(duì)觸頭運(yùn)動(dòng)過程影響的動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到觸頭的運(yùn)動(dòng)曲線。不同勁度系數(shù)對(duì)觸頭運(yùn)動(dòng)位移的影響如圖3所示。

由圖3可知，隨著解扣彈簧勁度系數(shù)的增大，動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)的時(shí)間縮短，平均速度增大。

由于解扣彈簧為動(dòng)觸頭提供分?jǐn)嗔?，為減少開斷后動(dòng)觸頭回彈，彈簧的壓縮量應(yīng)大于開距4 mm。當(dāng)分?jǐn)嗨俣容^大時(shí)，碰撞產(chǎn)量的能量大，因此壓縮量的選取應(yīng)以盡量減少觸頭回彈為原則。

解扣彈簧與壓縮彈簧的彈力之和應(yīng)小于熱敏藥丸的最大支持力，保證熱敏藥丸不被壓碎，并且留有一定的裕量。經(jīng)檢測(cè)，熱敏藥丸的最大承受力為20 N。

為了實(shí)現(xiàn)熔斷器的快速分?jǐn)?，將觸頭分?jǐn)嗥骄俣仍O(shè)定為1 500 mm/s，則觸頭從斷開到達(dá)到開距的時(shí)間為2.67 ms。

忽略動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)中的能量損耗和觸頭勢(shì)能變化，則彈簧的彈性勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，表達(dá)式為

12mv2=12kx21－12kx22（11）

式中： x1——?jiǎng)幼髑暗膲嚎s量;

x2——?jiǎng)幼骱蟮膲嚎s量。

動(dòng)作前后，彈簧壓縮量變化為4 mm。觸頭驅(qū)動(dòng)件用橡膠材料，動(dòng)觸頭、動(dòng)觸橋和觸頭驅(qū)動(dòng)件的質(zhì)量和為2.1×10-3 kg。

代入式（11），可求得x1=16 mm、x2=12 mm。實(shí)際運(yùn)動(dòng)中難免存在摩擦力和能量損耗，故仿真的壓縮量從16 mm開始，逐漸增加。

利用Recurdyn軟件對(duì)觸頭運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真。不同壓縮量對(duì)觸頭運(yùn)動(dòng)位移的影響如圖4所示。

由圖4可知，壓縮量越大，分?jǐn)鄷r(shí)間越短。由于理論計(jì)算時(shí)忽略了熱敏藥丸的黏滯力、外殼摩擦力、彈簧阻尼等，仿真得到動(dòng)觸頭的平均速度比理論值要小。因此，加大彈簧的壓縮量，當(dāng)壓縮量為20 mm時(shí)，動(dòng)觸頭的平均速度約為1 454 mm/s，觸頭動(dòng)作時(shí)間在3 ms以內(nèi)。此時(shí)，熱敏藥丸承受的壓力為壓縮彈簧和解扣彈簧的彈力之和，小于熱敏藥丸的最大承受力。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 分?jǐn)嗨俣葘?shí)驗(yàn)

經(jīng)動(dòng)力學(xué)仿真分析可知，所設(shè)計(jì)的溫度熔斷器觸頭分?jǐn)噙^程與熱敏藥丸的熔化速度無關(guān)。為驗(yàn)證溫度熔斷器的實(shí)際分?jǐn)嗨俣龋瑧?yīng)用3D打印技術(shù)制作溫度熔斷器樣機(jī)，外殼材料使用ULTEM 1010樹脂，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和耐高溫能力。溫度熔斷器樣機(jī)如圖5所示。首先進(jìn)行觸頭分?jǐn)嗨俣葴y(cè)試，圖中的移動(dòng)標(biāo)記點(diǎn)貼在動(dòng)觸頭上，隨動(dòng)觸頭而移動(dòng);固定標(biāo)記點(diǎn)貼在靜觸頭上，用于定標(biāo)。隨后進(jìn)行直流負(fù)載分?jǐn)鄬?shí)驗(yàn)，測(cè)試其實(shí)際分?jǐn)嚯娐返哪芰蜆O限范圍。

本文使用Phantom M310型高速攝像機(jī)對(duì)所設(shè)計(jì)組裝的溫度熔斷器進(jìn)行分?jǐn)嗨俣葴y(cè)試。動(dòng)觸頭速度測(cè)試系統(tǒng)如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)中使用熱風(fēng)槍模擬環(huán)境溫升，加熱15～30 s后，熱敏藥丸開始熔化。設(shè)置高速攝像機(jī)拍攝幀率為3 268幀/s，拍攝間隔時(shí)間為305.98 μs。使用PCC軟件截取動(dòng)作過程，得到能夠代表觸頭運(yùn)動(dòng)的圖片。用Image-Pro Plus提取標(biāo)記點(diǎn)的橫、縱像素坐標(biāo)，由此得到運(yùn)動(dòng)過程每一幀圖像中移動(dòng)標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)值;再根據(jù)固定標(biāo)記點(diǎn)的實(shí)際圓心距離與圖像坐標(biāo)差之間的換算比例，計(jì)算移動(dòng)標(biāo)記點(diǎn)運(yùn)動(dòng)位移與時(shí)間的關(guān)系，由此得到溫度熔斷器動(dòng)觸頭的位移時(shí)間曲線。由高速攝像機(jī)拍攝的觸頭運(yùn)動(dòng)過程如圖7所示。

3.2 觸頭運(yùn)動(dòng)分析

處理圖像，所設(shè)計(jì)的溫度熔斷器動(dòng)觸頭位移時(shí)間曲線如圖8所示。實(shí)際測(cè)得動(dòng)觸頭平均速度約為1 538 mm/s。由圖8可見，實(shí)測(cè)與仿真曲線動(dòng)作趨勢(shì)接近。存在誤差的原因是仿真中熱敏藥丸的特征采用彈簧阻尼系數(shù)來表征，而實(shí)際熱敏藥丸的黏度受溫度影響呈非線性變化。

3.3 直流負(fù)載分?jǐn)鄬?shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)均在阻性負(fù)載條件下進(jìn)行，直流負(fù)載分?jǐn)鄬?shí)驗(yàn)電路圖如圖9所示。直流電源、溫度熔斷器、負(fù)載與接觸器串聯(lián)形成回路。當(dāng)溫度熔斷器發(fā)生故障無法分?jǐn)嚯娐窌r(shí)，接觸器K斷開以保證電路及人身安全。

實(shí)驗(yàn)中將溫度熔斷器焊接于底座并固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，以便觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過調(diào)節(jié)直流電源電壓和電阻來改變線路中的負(fù)載電流，實(shí)驗(yàn)過程采用示波器記錄電弧電壓波形。

在直流155 V/17 A的條件下，進(jìn)行分?jǐn)鄬?shí)驗(yàn)。使用熱風(fēng)槍模擬環(huán)境溫升，幾十秒后，熱敏藥丸熔化，溫度熔斷器分?jǐn)啵霈F(xiàn)短暫火光，迅速熄滅。溫度熔斷器在直流155 V/17 A條件下的電壓曲線如圖10所示。

由圖10可知，在直流155 V/17 A的條件下，所設(shè)計(jì)的有機(jī)物型溫度熔斷器具有良好的分?jǐn)嘈阅埽蓟r(shí)間僅為2.2 ms，內(nèi)部元件和外殼完好。逐漸增加其負(fù)載電流至20 A、25 A、30 A時(shí)，隨著電流的增大，燃弧時(shí)間增加，有機(jī)物型溫度熔斷器仍然具有良好的分?jǐn)嘈阅?。?dāng)電流增加至40 A時(shí)，雖然電路被成功分?jǐn)?，但燃弧時(shí)間較長(zhǎng)，分?jǐn)鄷r(shí)產(chǎn)生劇烈的電火花。實(shí)驗(yàn)后拆解內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)動(dòng)觸頭與觸頭驅(qū)動(dòng)件熔在一起，外殼有明顯灼燒痕跡。溫度熔斷器在直流155 V條件下分?jǐn)喔麟娏鞯碾妷呵€如圖11所示;直流155 V電壓下各電流實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

為探究溫度熔斷器分?jǐn)嗄芰Φ臉O限，將電源電壓提高至直流175 V，分別進(jìn)行25 A、34 A、40 A的分?jǐn)鄬?shí)驗(yàn)。溫度熔斷器在直流175 V條件下分?jǐn)喔麟娏鞯碾妷呵€如圖12所示;直流175 V電壓下各電流實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

在直流175 V/25 A和直流175 V/34 A的條件下，電弧燃燒時(shí)間較短，分?jǐn)嗪蟮臏囟热蹟嗥鲀?nèi)部零件正常，未出現(xiàn)燒損現(xiàn)象。在直流175 V/40 A的條件下，電弧燃燒時(shí)間達(dá)到550 ms，電弧穩(wěn)定燃燒。

將電源電壓提高至200 V，分別進(jìn)行25 A和30 A的分?jǐn)鄬?shí)驗(yàn)。溫度熔斷器在直流200 V條件下分?jǐn)喔麟娏鞯碾妷呵€如圖13所示。直流200 V電壓下各電流實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

在直流200 V/25 A的條件下，電弧燃燒時(shí)間約125 ms，分?jǐn)嗪蟮娜蹟嗥魍鈿こ霈F(xiàn)灼燒現(xiàn)象，內(nèi)部元件并未熔焊。在直流200 V/30 A的條件下，電弧燃燒時(shí)間約640 ms，火光劇烈。拆解溫度熔斷器發(fā)現(xiàn)，外殼已經(jīng)被侵蝕，材料炭化嚴(yán)重，動(dòng)靜觸頭表面均受到電弧侵蝕，有不同程度的燒損。由于溫度過高，觸頭驅(qū)動(dòng)件與動(dòng)觸頭接觸的一側(cè)已經(jīng)熔化，與動(dòng)觸頭焊在一起。分?jǐn)嘀绷?00 V/30 A電路后的溫度熔斷器如圖14所示。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的有機(jī)物型溫度熔斷器，引入1個(gè)觸頭驅(qū)動(dòng)件，其在熱敏藥丸熔化時(shí)先運(yùn)動(dòng)，當(dāng)熱敏藥丸完全熔化時(shí)帶動(dòng)動(dòng)觸頭快速動(dòng)作，其分?jǐn)嗨俣扰c熱敏藥丸的熔化過程無關(guān)，大大提高了動(dòng)靜觸頭的分?jǐn)嗨俣?。采用仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式對(duì)溫度熔斷器進(jìn)行分?jǐn)嗨俣葴y(cè)試，并在直流條件下進(jìn)行分?jǐn)嗄芰y(cè)試。結(jié)果表明，該溫度熔斷器觸頭分?jǐn)嗥骄俣燃s為1 500 mm/s。在155 V和175 V直流電壓條件下，溫度熔斷器可以分?jǐn)?0 A的電流;在200 V直流電壓條件下，溫度熔斷器可以分?jǐn)?0 A的電流，具有較高的分?jǐn)嘈阅堋?/p>

針對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的外殼灼燒炭化現(xiàn)象，在產(chǎn)品化時(shí)可采用較高熔點(diǎn)的無機(jī)材料，如陶瓷、玻璃等，一方面可以防止被電弧燒蝕，另一方面可以提高產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度，使其適用于各種環(huán)境。

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收稿日期： 20240302